本文選題：空心結(jié)構(gòu)納米顆粒　切入點：磁-力-電耦合響應(yīng)　出處：《中國科學技術(shù)大學》2017年博士論文

【摘要】：作為一種磁敏智能材料,磁流變液(Magnetorheological Fluid,MRF)主要由磁性顆粒和液態(tài)的基體共同組成,通常還會添加一些其它的添加劑來增加其穩(wěn)定性。對磁流變液施加外部磁場,它能夠在幾毫秒的時間內(nèi)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成為類固態(tài),而當外部磁場撤去時,它又能夠迅速地從類固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。磁流變液因其優(yōu)良的性能迅速地引起了大家的關(guān)注,越來越多的學者從性能優(yōu)化、機理和應(yīng)用等方面對其展開研究;雖然關(guān)于磁流變液的研究很多,但是依然有很多問題亟待解決,例如磁流變液的沉降問題依然困擾著磁流變液的應(yīng)用、關(guān)于磁流變液導電機理的研究還不透徹、磁流變器械性能有待提高等。因此,本文中首先研究了具有空心結(jié)構(gòu)的磁性顆粒對磁性液體的流變性能和沉降性能的影響,并用數(shù)值模擬的方法對其進行了分析;其次研究了磁場、振蕩剪切、擠壓等外界因素對磁流變液電學性能的影響,并探究了磁流變液的法向力與電學性能之間的聯(lián)系;最后設(shè)計開發(fā)了兩種基于磁流變液法向力的擠壓式阻尼器,并對它們的動態(tài)力學性能進行了測試和分析。具體工作內(nèi)容如下:1.空心結(jié)構(gòu)的顆粒對磁性液體性能的影響制備了一種具有空心結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵納米顆粒,用于研究空心結(jié)構(gòu)對磁性液體性能的影響。表征結(jié)果顯示得到的產(chǎn)物是純度很高,并且具有空心結(jié)構(gòu)的顆粒,具有超順磁性和較高的飽和磁化強度。用四氧化三鐵空心球顆粒制備了磁性液體,并測試了其流變性能和抗沉降性能,結(jié)果表明所得的磁性液體具有較高的剪切屈服應(yīng)力,抗沉降性也很好。利用顆粒動力學方法對磁性液體進行了數(shù)值模擬,得到了磁性液體在不同條件下的剪切應(yīng)力,以及磁性液體內(nèi)部的顆粒鏈在外界磁場和剪切的作用下結(jié)構(gòu)演化情況;數(shù)值模擬和試驗測試的結(jié)果吻合得很好。從試驗和數(shù)值模擬兩個方面對具有空心結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵納米顆粒進行了研究,結(jié)果表明空心球結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵性能更加優(yōu)良,為磁流變液的優(yōu)化設(shè)計提供了另一種思路。2.磁流變液的磁-力-電耦合響應(yīng)利用自建的測試系統(tǒng)分別研究了振蕩剪切和擠壓條件下,磁流變液的磁-力-電耦合響應(yīng)。首先研究了外界磁場對磁流變液電學性能的影響,對磁流變液施加外界磁場,可以使其導電性增加數(shù)千倍。振蕩剪切也可以顯著地改善磁流變液的導電性,并且會導致樣品電阻隨著外界的振蕩剪切一起振蕩變化。提出了一種顆粒導電模型,對磁流變液在不同條件下的導電性進行了理論分析。對磁流變液施加擠壓時,樣品的導電性隨著擠壓速度、擠壓應(yīng)變和基體粘度等外界條件的改變而改變。研究了在磁場的作用下,樣品法向力與電阻之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)樣品法向力和電阻的變化都依賴于磁流變液內(nèi)部顆粒鏈結(jié)構(gòu)的演變。上述研究為磁流變液在傳感器、非接觸式檢測與控制等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了必要的理論依據(jù)。3.擠壓式磁流變阻尼器基于磁流變液的法向力,設(shè)計了一種純擠壓式的磁流變阻尼器,并對其動態(tài)力學性能進行了測試與分析。測試結(jié)果表明純擠壓式磁流變阻尼器的動態(tài)力學性能良好,輸出的最大阻尼力可以達到6 kN,高于相同尺寸的傳統(tǒng)阻尼器輸出的阻尼力,并對阻尼器的工作原理進行了詳細的分析;研究了純擠壓式阻尼器在工作時,阻尼力的組成與來源。對純擠壓式阻尼器進行改進,設(shè)計了擠壓-閥混合式磁流變阻尼器。混合式阻尼器最大的亮點是在運動的活塞中加入了一個供磁流變液流通的通道,可以極大地促進混合式阻尼器中磁流變液的流動,從而抑制磁流變液在混合式阻尼器中的沉積�；旌鲜阶枘崞鞯膭討B(tài)力學性能測試結(jié)果表明,混合式阻尼器輸出的最大阻尼力大約為6.5 kN,并且力-位移曲線很飽滿;這表明我們的改進不僅能夠提高阻尼器輸出的阻尼力,還能有效地抑制阻尼器中磁流變液的沉積,提高阻尼器的性能。最后用Back Propagation神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對混合式阻尼器輸出的阻尼力進行了分析,不同條件下阻尼力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值與試驗測試值很接近,說明我們的阻尼器在半主動控制方面有著很廣闊的應(yīng)用前景。
[Abstract]:As a kind of magnetic sensitive smart material, magneto rheological fluid (Magnetorheological Fluid MRF) is mainly composed of a matrix of magnetic particles and liquid together, usually add some other additives to increase its stability. The external magnetic field is applied on the magnetic rheological fluid, it can in a few milli seconds from the liquid into a solid. When the external magnetic field is removed, it can quickly from solid into liquid. Magnetorheological fluid because of its good performance quickly attracted everyone's attention, more and more scholars from the performance optimization, mechanism and applications of the research; although a lot of research about the magnetorheological fluid, but still there are a lot of problems to be solved, such as the settlement of MRF are still plagued by the application of magnetorheological fluid, a magnetorheological fluid guide mechanism research is not thorough, magneto rheological instrument performance needs to be improved Therefore, this paper firstly studied the influence of rheological properties of magnetic particles with hollow structure of the magnetic fluid and settling properties, and by numerical simulation method to analyze the magnetic field; secondly, oscillatory shear, extrusion and other external factors affect the performance of magnetorheological fluid electric, magnetic and explore the normal force between rheological and electrical properties of the contact; finally, designed and developed two kinds of MRF method based on force to squeeze damper, and dynamic mechanical properties of them were tested and analyzed. The specific contents are as follows: 1. hollow structure of the particles impact on the property of magnetic liquid was prepared. With the hollow structure of the Fe3O4 nanoparticles, and used to study the effects of hollow structure on the performance of magnetic fluid. The characterization results showed that the product obtained is very high purity, and has a hollow structure with granules. Superparamagnetic and high saturation magnetization. Using Fe3O4 hollow sphere particles prepared by magnetic fluid, and the rheological properties and anti settling performance, results show that the shear magnetic liquid with high yield stress, anti settling is also very good. The particle dynamics method for numerical simulation of magnetic fluid to obtain the shear magnetic fluid under different conditions of stress, and the magnetic fluid inside the particle chain in external magnetic field and shear under the action of structure evolution; numerical simulation and test results are in good agreement. The two aspects of the study of magnetite nanoparticles with hollow structure from test and numerical the simulation results show that, the performance of Fe3O4 hollow ball structure is more excellent, provides another way.2. MRF magnetic force for the optimization design of magnetorheological fluid electric coupling Response were studied by oscillatory shear and extrusion conditions using the self built test system, magnetorheological fluid magnetic force electric coupling response. First studied the influence of external magnetic field on the electrical properties of magnetorheological fluid, applying external magnetic field on the magnetic rheological fluid, can make the conductivity increase the number of thousands of times. The conductivity oscillation shearing can significantly improve the MRF, and will cause the sample resistance with the outside world with oscillatory shear oscillations is presented. A model of conductive particles, the conductivity of magnetorheological fluid under different conditions were analyzed. The fluid applied extrusion on the magnetic current, the conductivity of the samples with extrusion the speed of extrusion, strain and viscosity of the matrix and other external conditions change. In the study of the magnetic field, the sample method to the relationship between force and resistance of the samples to found changes in force and resistance are dependent on the magnetic flow The evolution of liquid variable particles inside the chain structure. The research of magnetorheological fluid in the sensor,.3. provides a necessary theoretical basis for the extrusion of magnetorheological damper force based on MRF method application of non-contact detection and control field, design a kind of pure squeeze type magnetic damper, and the the dynamic mechanical properties were tested and analyzed. The test results show that the dynamic mechanical properties of pure squeeze type MR damper, the maximum damping force output can reach 6 kN, the output is higher than the traditional damping force damper of the same size, and the working principle of the damper are analyzed in detail; the pure squeeze the work type damper, composition and source of damping force. The pure squeeze damper was improved, the design of extrusion - valve hybrid magneto rheological damper. The hybrid damper is the biggest bright spot in the sports activity Plug added for a magneto rheological fluid circulation, can greatly promote the magnetorheological fluid damper in mixed flow, thereby inhibiting the deposition of magnetorheological fluid damper. In the hybrid test results of dynamic mechanical properties of hybrid damper showed that the maximum damping force of hybrid damper output is about 6.5 kN, and the force displacement curve is full; this shows that our improvement can not only improve the damper force output, can effectively inhibit the deposition of magnetorheological fluid damper in improving damper performance. Finally, analyzed the damping force of the hybrid damper output using Back Propagation neural network, the prediction value is close to the the test value of neural network damping force under different conditions, we show the damper has a broad prospect in semi-active control.

【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB381

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